700 mA非隔離高壓降壓評估板：CoolSET? ICE5BR2280BZ - 1的卓越表現

在電子電源設計領域，非隔離高壓降壓轉換器一直是研究的熱點。今天，我們就來深入探討一下使用英飛凌最新的CoolSET? 第五代固定頻率增強型ICE5BR2280BZ - 1開關控制器的15 V、700 mA非隔離高壓（HV）降壓轉換器評估板。

文件下載：Infineon Technologies EVAL_5BR2280BZ-1_700MA 評估板.pdf

一、評估板概述

1.1 適用對象

這份文檔主要面向開關電源（SMPS）設計/應用工程師、學生等群體。這些人希望為諸如白色家電輔助電源、智能電表等應用設計低成本的非隔離降壓轉換器。

1.2 CoolSET? 系列優勢

英飛凌的CoolSET? 采用固定頻率開關方案的AC - DC集成功率級，具有更高的穩健性和出色的性能。該系列提供卓越的能源效率、全面的保護功能，并降低了系統成本，非常適合各種潛在應用中的輔助電源應用，如SMPS、家電、服務器和電信等領域。

二、評估板規格

2.1 輸入規格

輸入電壓范圍為85 - 264 V AC（2線制，無PE線），頻率范圍在47 - 63 Hz，典型值為50/60 Hz。

2.2 輸出規格

輸出電壓為15 V，輸出電流最大可達0.7 A，輸出功率最大為10.5 W，輸出電壓精度在±5%以內，過流保護設定為額定電流的150%以內，紋波和噪聲電壓（20 MHz帶寬）小于1%（使用10 μF電解電容和0.1 μF多層陶瓷電容時）。

2.3 環境規格

傳導電磁干擾（EMI）有6 dB的余量，符合CISPR 22 Class B標準；浪涌抗擾度方面，差模（DM）為±1 kV（符合EN 61000 - 4 - 5標準）；環境溫度范圍為 - 20 - 50 °C（自由對流，海平面）；PCB尺寸為70 × 35 × 23 mm（長×寬×高）。

三、電路詳細解析

3.1 線路輸入

交流線路輸入級由輸入保險絲（F1）、壓敏電阻（VAR1）、X電容（C1）、整流二極管橋（D1）、電容（C2和C3）和電感（L1）組成。其中，X電容（C1）和π濾波器（C2、L1和C3）起到電磁干擾抑制的作用。

3.2 啟動過程

ICE5BR2280BZ - 1采用共源共柵結構對VCC電容進行快速充電。連接到GATE引腳（引腳4）的上拉電阻（R1）用于啟動啟動階段。當VCC達到16 V的開啟電壓閾值時，IC開始軟啟動。軟啟動是基于數字時間的功能，預設軟啟動時間為12 ms，分四個步驟。如果不受其他功能限制，CS引腳上的峰值電壓將從0.3 V逐步增加到0.8 V。IC開啟后，VCC電壓由輸出電壓提供，并且在啟動期間實現了VCC對地短路保護。

3.3 集成MOSFET和PWM控制

ICE5BR2280BZ - 1集成了功率MOSFET和控制器，簡化了電路布局，降低了PCB制造成本。控制器和MOSFET位于轉換器的高端，以續流二極管（D4）的陰極作為浮動地。使用超快速恢復二極管（D4）允許電感去磁電流通過它，并限制功率MOSFET中的尖峰電流，特別是在降壓轉換器以連續導通模式（CCM）運行時。因此，僅在續流二極管導通期間感測輸出電壓。

3.4 輸出級

最大輸出電壓紋波由輸出電容和輸出電容的等效串聯電阻（ESR）決定。選擇低ESR電容有助于減少紋波。假負載電阻（R9）有助于在輕載條件下調節輸出電壓。

3.5 反饋控制

ICE5BR2280BZ - 1開關控制器集成了一個跨導放大器用于反饋（FB）控制。輸出由分壓器（R4和R5）感測，并與VERR引腳處的內部參考電壓進行比較。建議在FB引腳上使用外部補償網絡（C4、C5和R2）來控制輸出電壓。

3.6 初級側峰值電流控制

通過外部電阻（R7和R8）感測MOSFET的漏源電流。ICE5BR2280BZ - 1開關控制器是一種電流模式控制器，具有逐周期的初級電流和FB電壓控制，確保在每個開關周期內控制轉換器的最大功率。為避免MOSFET導通瞬態電壓尖峰引起的誤觸發，在電流感測（CS）路徑中集成了前沿消隱（LEB）時間（tcs_LEB）。

3.7 頻率降低

在輕載時，ICE5BR2280BZ - 1開關控制器實現了頻率降低功能，以提高效率。當負載降低時，開關頻率FSW降低，從而減少開關損耗。通常，高負載時FSW為65 kHz，當VFB = 1.7 V時開始降低。即使負載進一步降低，一旦達到foscx_MIN，頻率將不再降低。

3.8 主動突發模式

ICE5BR2280BZ - 1 IC可以選擇ABM進入和退出功率（兩個級別）。本評估板使用ABM功率級別1（R3 = 開路）。

3.9 保護功能

ICE5BR2280BZ - 1開關控制器提供全面的保護功能，包括VCC過壓（OV）和欠壓（UV）、過載、輸出OV、過溫（控制器結溫）和VCC對地短路保護。當檢測到這些故障時，系統將進入保護模式。一旦故障消除，系統將恢復正常運行。為了在自動重啟保護期間保護ICE5BR2280BZ - 1開關控制器免受過度熱應力，使用了一個15 μF的VCC電容（C9）將總自動重啟關斷時間延長至約2 s。

四、PCB布局

4.1 頂層布局

頂層布局圖展示了銅層和元件的分布情況。

4.2 底層布局

底層布局圖展示了底層銅層的分布。

五、物料清單

文檔中提供了詳細的物料清單，包括電容、電阻、二極管、IC、電感等元件的規格、制造商和數量等信息。

六、測試結果

6.1 效率測試

在不同的輸入電壓（85 V AC/60 Hz、115 V AC/60 Hz、230 V AC/50 Hz、264 V AC/50 Hz）和負載百分比（無負載、25%、50%、75%、100%）下進行了效率測試。結果顯示，效率在不同條件下有所波動，但整體表現良好。例如，在85 V AC/60 Hz輸入、100%負載時，效率為82.63%。

6.2 待機功率

通過測試不同輸入電壓下的待機功率，發現泄放電阻R9可以防止無負載時輸出電壓升高。

6.3 線路和負載調節

線路和負載調節測試結果展示了評估板在不同輸入電壓和負載條件下的輸出電壓穩定性。

6.4 浪涌抗擾度

根據EN 61000 - 4 - 5標準進行浪涌抗擾度測試，在115/230 V AC、700 mA的條件下，差模±1 kV測試通過。

6.5 傳導發射

傳導電磁干擾（EMI）測試按照EN 55022（CISPR 22）Class B標準進行，評估板在115 V AC和230 V AC輸入、700 mA負載下，準峰值測量均有6 dB的余量，測試通過。

6.6 熱測量

在環境溫度為25°C的條件下，使用紅外熱成像相機對評估板進行熱測試。結果顯示，在85 V AC和264 V AC全負載運行一小時后，主要元件（如D4、L2、IC1）的溫度有所不同。例如，在85 V AC全負載時，D4的溫度為77.5°C。

七、波形和示波器圖

7.1 最大負載啟動

展示了評估板在最大負載下的啟動波形。

7.2 軟啟動

軟啟動波形顯示了IC在啟動過程中的電壓和電流變化情況。

7.3 最大負載時的漏極電壓和漏極電流

展示了MOSFET在最大負載時的漏極電壓和電流波形。

7.4 最大負載時的輸出紋波電壓

輸出紋波電壓波形顯示了評估板在最大負載時的輸出電壓穩定性。

7.5 ABM操作

ABM操作波形展示了主動突發模式下的工作情況。

7.6 過載保護

過載保護波形顯示了在輸出負載從滿載變為過載（輸入85 V AC或264 V AC）時的系統響應。

7.7 輸出短路測試

輸出短路測試波形展示了評估板在輸出短路時的保護機制。

八、設計示例A

8.1 規格說明

評估板上有一個用于兩個串聯的低壓差（LDO）穩壓器的元件占位符。IC2調節的12 V輸出最大可提供350 mA電流，IC3調節的5 V輸出最大可提供200 mA電流。由于12 V輸出和5 V輸出均來自主輸出15 V，因此總輸出電流不應超過主輸出電流的最大容量。

8.2 滿載效率

LDO電路會帶來額外的功率損耗，從而降低整體效率。LDO安裝在散熱片上。在不同輸入電壓（85 V AC/60 Hz、115 V AC/60 Hz、230 V AC/50 Hz、264 V AC/50 Hz）下的滿載效率測試結果顯示，效率在56.44% - 57.33%之間。

九、總結

英飛凌的CoolSET? ICE5BR2280BZ - 1評估板在非隔離高壓降壓轉換器設計方面表現出色。它具有多種先進的功能和保護機制，能夠在不同的工作條件下提供穩定的輸出。通過詳細的測試和分析，我們可以看到其在效率、待機功率、浪涌抗擾度、傳導發射等方面都滿足相關標準。對于電子工程師來說，該評估板為設計低成本、高性能的非隔離降壓轉換器提供了很好的參考。同時，在實際應用中，我們也需要根據具體需求對電路進行優化和調整，以充分發揮其性能優勢。大家在使用過程中有沒有遇到過類似設計的挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。